通过界面优化和增强光吸收实现高效聚合物太阳电池的研究

针对聚合物本体异质结太阳电池开路电压明显低于理论值的情况，通过在聚合物太阳电池活性层-电极(包括阳极和阴极)界面引入带有极性基团的共轭聚合物薄层或者电介质层，利用共轭聚合物薄层在界面上形成和器件的内建电场方向一致的电偶极矩及电介质层能够有效阻挡载流子反向输运的特性，探索增强聚合物本体异质结太阳电池的开路电压的新方法和新途径，解决基于窄带隙聚合物电子给体材料的太阳电池不能同时兼得高的开路电压和高的短路电流密度的难题，为进一步提高聚合物光伏器件的性能提供器件物理和器件工程方面的思路。同时，针对多层器件的特点，通过光学模型理论模拟和实验验证相结合的办法，研究不同光学参数和厚度对器件中活性层光吸收的影响，并提出优化太阳光利用的解决方案。通过材料设计、器件设计、光学设计和实验条件优化，获得高性能的聚合物太阳电池原型器件(能量转化效率超过6%)，为今后的工作打下基础。

1.在光活性层/阴极界面引入极性聚合物，有效改善聚合物太阳电池的性能. 通过在聚合物太阳电池活性层-电极界面引入带有极性基团的共轭聚合物，开展了探索增强其开路电压的新方法和新途径。实验表明，由于水(醇)溶性共轭聚合物薄层的引入，导致器件中的载流子复合损耗大大降低，空间电荷限制的载流子输运特性和载流子抽取特性得到改善，在5%的对比器件上实现开路电压，填充因子和短路电流的同时提高。. 通过原子力显微镜,扫描开尔文探针和表面电势成像, 以及电吸收谱,系统研究了这一技术方法的物理机制，证实在活性层-电极界面引入侧链上带水(醇)溶性共轭聚合物,可以形成有利于载流子抽取和输运的电偶极(其电场强度达到6×10^5 V/cm,远远超过短路电流条件下实际器件的平均电场，对器件性能的提高起到关键作用。. 通过这一技术方法，制备了效率达到8.370%的聚合物太阳电池(Adv. Mater. 23, 4636-4643 (2011)) 。该论文在发表第一年内他引次数达到176次；到2012年12月，该论文总引用次数为226次/（他引214次）；并入选 “2011年中国百篇最具影响国际学术论文”。.2. 研究出可同时优化聚合物太阳电池光学性能和电学性能的新型器件结构，并再次成功刷新了经同行评审的科学文献中聚合物太阳电池效率的最好水平. 通过在氧化铟锡表面引入水(醇)溶性共轭聚合物，利用与其相互作用，可有效降低其功函数，形成有利于收集电子载流子的阴极，从而设计并实现了一种高效、新颖的倒置结构聚合物太阳电池。除了良好的电学性能，该器件结构也具有优良的光学特性。基于光学模型仿真和实验都表明，该器件结构可以有效增强对入射太阳光的吸收和利用达10%左右，因而可有效提高器件的短路电流等关键性能指标，并实现了9.214%的能量转换效率, 再次刷新了经同行评审的科学文献中聚合物异质结太阳电池效率的最好水平。研究成果以科学研究论文的形式在著名学术杂志Nature Photonics上以“Enhanced power-conversion efficiency in polymer solar cells using an inverted device structure”为题发表(Nature Photonics 2012, 6, 591),并被选为该杂志研究亮点。